О, сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель.
А.С.Пушкин 1829 г.
О ГЕНОМЕ НЕАНДЕРТАЛЬЦЕВ.
Часто в научной и в научно-популярной литературе можно встретить численные оценки сходства и различия геномов современного человека и неандертальца.
Например, часто можно прочитать, что неандертальцы передали человеку от 1,5 до 2 % своих генов. Причем, денисовцы — неандертальцы передали полинезийцам до 5% своих генов.
С другой стороны, встречаются утверждения, что геномы неандертальца и человека отличаются на 0,16% или на другую малую величину.
Возникает вопрос, каково же, на самом деле, сходство геномов неандертальца и человека? Чтобы найти ответ на этот вопрос, мне пришлось проштудировать основоплагающий труд по расшифровке генома неандертальцев «A Draft Sequence of the Neandertal Genome» Richard E. Grenn et al., Science 328, 710 (2010) ( Черновая последовательность неандертальского генома). Этот труд доступен в Интернете на английском языке.
Было довольно сложно продираться через англоязычный текст, но я не пожалел о затраченных усилиях. Действительно, труды надо читать в оригинале.
Прежде всего меня поразила изощренность экспериментальных и вычислительных методик, которые применили авторы для расшифровки генома неандертальца. Им пришлось преодолеть немыслимые трудности по анализу микроскопических количеств ископаемой ДНК, распавшейся на короткие фрагменты, загрязненной бактериальной и человеческой ДНК.
В результате Авторами были получены уникальные, поразительные результаты, часть которых, по моему мнению, они не смогли правильно интерпретировать.
Для анализа неандертальской ДНК был использован материал из трех костей, раскопанных археологами в пещере Виндия в Хорватии, а также трех костей из Эль Сидрон (49000 лет назад), Испания; Фельдхофер (42000 лет назад) Германия и Мезмайской пещеры (60000 — 70000 лет назад) Россия.
Ислледованные кости из пещеры Виндия находились в различных слоях:
G, G3 и более глубоком слое I. Некалиброванные радиоуглеродные датировки для этих останков были получены только для слоев G и G3 и составили 38310 +-2130 и 44450+-550 лет назад. Для образца из слоя I датировка оказалась невозможной вследствие недостаточного в ней для проведения радиоуглеродного анализа количества коллагена.
Из двух получееных дат более надежной представляется вторая, поскольку имеет в 4 раза более низкую погрешность измерения. Калибровка этой даты (поправка на изменение количества радиоуглерода в прошлом по отношению к настоящему) даст увеличение возраста примерно на 5000 лет. Таким образом, возраст останков будет примерно равен 49000 лет, что говорит о принадлежности их неандертальцам. Люди раннего верхнего палеолита появились после 45000 лет назад.
Первый удивительный результат расшифровки неандертальской ДНК- это то, что несмотря на различный возраст останков, различающийся на 20000 лет и широкую географию (от Испании до России), эта ДНК оказалась одной и той же для всех образцов. Этот факт не особенно зантересовал Авторов. А это странно, ведь согласно существующим воззрениям молекулярные часы тикают с постоянной скоростью, вызывая одно то же количество мутаций в единицу времени. За 20 тысяч лет, разделяющих обитателей Мезмайской пещеры с их Европейским собратьями, должно было «натикать» какое-то количество мутаций. А их не обнаружили. Как-будто бы молекулярные часы стояли в этот период времени.
Я думаю, что в этот период времени молекулярные часы, действительно, стояли. Молекулярные часы практически стоят между периодами видообразования и начинают лихорадочно «тикать», когда видообразование происходит. Периоды видообразования человека происходили во время экскурсов и инверсий магнитного поля Земли, когда оно практически занулялось. В эти периоды многократно увеличивалось облучение поверхности Земли космическими лучами и вторичными частицами, что и вызывало многочисленные мутации и реорганизации генома.
Второй удивителный результат, полученный Авторами, мимо которого они также хладнокровно прошли.
Они рассчитали количество замен нуклеотидов в неандертальской и человеческой ДНК по отношению к некой ДНК, которую они рассчитали и приписали ее общему предку человека и неандертальца. Удивительно то, что генетическое расстояние (количество замен нуклеотидов относительно этой ДНК) у человека оказалось меньше, чем у неандертальцев. Причем не просто меньше, а меньше в 4 — 6 раз!
Генетическое расстояние от этой промежуточной ДНК до стандартного генома человека (hg 18) оказалось равным 30000-32000 замен (трансверсий) , а до анализируемых неандертальских — 129103, 112215 и 204845, соответственно. Если эту промежуточную ДНК трактовать как принадлежащую общему предку человека и неандертальца, то получается бессмыслица. В неандертальской ДНК «натикало», по крайней мере, в 4 раза больще замен, чем в человеческой. Как будто-бы неандертальцы прожили от общего предка в 4 раза больше, чем люди. Получается абсурд, неандертальцы давно вымерли, а замен нуклеотидов ДНК получили больше, чем люди, в 4 раза.
Сами Авторы скромно «объяснили» этот парадокс ошибками чтения неандертальской ДНК, что не помешало им в дальнейшем провести статистический анализ количества замен в окнах размером в 100 тысяч пар нуклеотидов и получить вполне разумные результаты. Ошибки, конечно, имели место, но их не могло быть в 4 раза больше, чем, в принципе, допустимо. Если бы ошибок было, действительно, столько много, то дальнейшее обсуждение результатов не имело бы смыла. Что обсуждать-то? Ошибки прочтения? Думаю, что неандертальскую ДНК Авторы прочитали, все-таки, в основном, правильно. А дело в другом.
Объяснение парадокса следующее. Промежуточная между неандертальской и человеческой ДНК принадлежит не их общему предку, а виду человека, находящемуся между неандертальцами и человеком. Этот вид известен. Это — кроманьонцы. Неандертальцы являются их предшественниками, а не боковой тупиковой веткой.
Генетическое расстояние (количество замен нуклеотидов) между неандертальцами и кроманьонцами в 4 раза больше, чем между кроманьонцами и современными людьми. Между неандертальцами и кроманьонцами — 120 тысяч замен нуклеотидов, а между кроманьонцами и людьми 30 тысяч. Но в этом я не вижу ничего удивительного. Потому что у кроманьонцев появляется абстрактное мышление, язык, самосознание, живопись, скульптура, керамика, похоронные обряды, развитая технология обработки камня и кости. Начиная с кроманьонцев, изменяется тип эволюции — объем головного мозга перестает расти, что наблюдалось при образовании следующего вида у всех предшествующих видов человека (от австралопитека афарского до неандертальца) , и начинает постепенно уменьшаться, за счет усложнения внутренней структуры.
В следующей части работы Авторы сравнивают геномы человека и неандертальца в смысловой части ДНК, кодирующей синтез белков. Для этого выбирается участок ДНК отличный от ДНК шимпанзе. Поскольку ДНК человека и шимпанзе совпадают приблизительно на 99%, то в этом разделе работы Авторы анализирует оставшийся не совпадающий с шимпанзе 1% генома. В ДНК человека 3% последовательности кодируют белки. Таким образом, поскольку для сравнения с неандертальской ДНК Авторы выбирают только имеющие смысл отрезки, то остается доля равная 0,03%,
3,2 * 10^9 * 3 * 10^-4 = 1 миллион пар нуклеотидов.
В этом 1 миллионе пар нуклеотидов Авторы находят всего 78 однонуклеотидных различий между геномами неандертальца и человека. Таким образом, различие между этими геномами составляет величину порядка одной сотой процента - 0,01 %.
В этом же разделе статьи Авторы сообщают, что эти различия сосредоточены на участках ДНК, кодирующих всего 5 генов, ответственных за синтез определенных белков. В настоящее время точно неизвестно, сколько генов имеется в ДНК. Называются числа от 20 до 60 тысяч. Если принять величину 50000 генов, то доля генов, измененных по отношению к человеку, в неандертальской ДНК составляет
5 / 50000 = 10^-4 , т.е 0,01%, что точно совпадает с предыдущей оценкой.
Таким образом, анализируя результаты исследования генома неандертальца, можно сделать следующие выводы:
Первое.
Геномы всех исследованных неандертальцев идентичны, несмотря на то, что их разделяют 20000 лет. Следовательно молекулярно-биологические часы идут неравномерно. Они лихорадочно «тикают» во время видобразования ( во время нулевого геомагнитного поля) и идут значительно медленнее между этими событиями.
Второе. Неандерталец является непосредственным предком кроманьонца и человека.
Третье. Генетическое расстояние между геномами неандертальца и кроманьонца в 4 раза больше, чем расстояние между геномами кроманьонца и человека.
Четвертое. Геномы неандертальца и человека в смысловой части генома, которая отвечает за синтез белков, различаются на одну сотую процента — 0.01%.
Пятое. Когда говорят, что неандертальцы передали 1 -4 % своих генов современному человеку, имеют ввиду, что это процент не от всего генома, а только от разницы геномов человека и неандертальца, которая составляет 0,01%. Это произошло за счет гибридизации неандертальцев и людей раннего верхнего палеолита уже после того, как произошла реорганизация генома европейского неандертальца, приведшая к образованию в Европе людей раннего верхнего палеолита приблизительно 45 тысяч лет назад.